CN108853954B - 基于双电杆控制的平衡训练装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于双电杆控制的平衡训练装置及方法，该装置包括机架、训练台、万向节组件、第一电杆组件以及第二电杆组件，第一电杆组件的一端与机架的一端角连接，第二电杆组件的一端分别与机架的另一端角连接；第一电杆组件的另一端与第二电杆组件的另一端分别与万向节组件连接，第一电杆组件与第二电杆组件之间形成第一夹角，第一电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角，第二电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角；训练台连接于万向节组件的上端。本发明可实现提高使用者的体验感，并且降低成本。

Description

基于双电杆控制的平衡训练装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗设备，更具体地说是指基于双电杆控制的平衡训练装置及方法。

背景技术

近年来随着人口老年化趋势加剧以及心脑血管疾病、关节发病率的上升，具有运动障碍患者的需求，市面上也出现了对平衡状况的康复训练和评定的器械，随着技术的发展和迭代，设备的构造从开始的简单已经逐渐走向复杂化。甚至有的生产厂商把应用于飞行训练的设备应用到康复医疗上。

现有平衡训练装置使用的是六电杆并联运行结构，要实现该装置在360度方向倾斜20度至少需要300mm长度的电杆，由于是六电杆并联结构，使用该方法，要实现大角度的倾角，平台高度要达到1m甚至以上，使用者的体验感不强；且该装置的单个电杆造价至少需要1万人民币的费用，光电机和电杆成本就需要6万多人民币，加上其他环节价格更高，成本较高。

因此，有必要设计一种新的装置，实现提高使用者的体验感，并且降低成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供基于双电杆控制的平衡训练装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于双电杆控制的平衡训练装置，包括机架、训练台、万向节组件、第一电杆组件以及第二电杆组件，第一电杆组件的一端与机架的一端角连接，第二电杆组件的一端分别与机架的另一端角连接；所述第一电杆组件的另一端与所述第二电杆组件的另一端分别与所述万向节组件连接，第一电杆组件与第二电杆组件之间形成第一夹角，所述第一电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角，所述第二电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角；所述训练台连接于万向节组件的上端。

其进一步技术方案为：所述第一电杆组件包括第一电缸缸体、第一电机以及第一伸缩杆，所述第一伸缩杆的一端嵌入于第一电缸缸体内，所述第一伸缩杆的另一端通过第一活动器与所述万向节组件连接；所述第一电机与第一电缸缸体连接，所述第一电缸缸体通过第一连接转轴与机架的一端角连接。

其进一步技术方案为：所述第一活动器包括活动器本体，所述活动器本体的一端与所述万向节组件连接，所述活动器本体的另一端朝外延伸有连接段，所述连接段上设有缺口，所述第一伸缩杆的另一端插设在缺口内，且所述第一伸缩杆插设在缺口内的一端通过连接轴与所述连接段连接。

其进一步技术方案为：所述第二电杆组件包括第二电缸缸体、第二电机以及第二伸缩杆，所述第二伸缩杆的一端嵌入于第二电缸缸体内，所述第二伸缩杆的另一端通过第二活动器与所述万向节组件连接；所述第二电机与第二电缸缸体连接，所述第二电缸缸体通过第二连接转轴与机架的一端角连接。

其进一步技术方案为：所述万向节组件包括连接杆以及万向节，所述万向节连接于所述连接杆的上端，且所述万向节与所述训练台连接，所述连接杆的下端穿过所述第一活动器以及第二活动器，所述连接杆的下端连接有螺栓，所述螺栓位于所述第一活动器以及第二活动器的下方。

其进一步技术方案为：所述万向节包括上旋转件以及下旋转件，所述上旋转件与所述训练台固定连接，所述上旋转件与所述下旋转件连接。

其进一步技术方案为：所述下旋转件包括下旋转本体以及若干个旋转球，若干个旋转球环绕下旋转本体的轴线布置与下旋转本体上，且所述下旋转本体的下端与所述连接杆连接，所述下旋转本体的上端朝上延伸有两个垂直段，两个所述垂直段位于所述旋转球的外侧，且所述上旋转件的两端分别与两个垂直段连接。

其进一步技术方案为：所述万向节组件还包括固定桥，所述固定桥与所述连接杆连接。

其进一步技术方案为：所述固定桥包括连接板以及位于连接板两侧的侧板，所述连接杆与所述连接板连接，所述连接板位于第一电杆组件以及第二电杆组件的上方。

本发明还提供了一种使用了上述的基于双电杆控制的平衡训练装置的训练方法，包括：

驱动第一电杆组件以及第二电杆组件工作，推动万向节组件移动，以改变训练台的倾斜角度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置第一电杆组件和第二电杆组件，利用第一电机和第二电机的工作，驱动第一伸缩杆和第二伸缩杆伸出对应的距离，以驱动与万向节组件连接的训练台在任一方向上倾斜一定的角度，万向节组件内的连接杆与第一伸缩杆和第二伸缩杆连接，由第一伸缩杆和第二伸缩杆一起推动连接杆，以带动与连接杆连接的万向节转动，以使训练台倾斜，整个训练台的高度较低，可实现提高使用者的体验感，并且降低成本。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的俯视结构示意图(不包括训练台)；

图2为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的主视结构示意图(不包括训练台以及机架)；

图3为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的左视结构示意图(不包括训练台以及机架)；

图4为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的后视结构示意图(不包括训练台以及机架)；

图5为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的立体结构示意图(不包括训练台以及机架)；

图6为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的简化示意图；

图7为本发明具体实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置的坐标系示意图；

图8为本发明具体实施例提供的换算坐标系示意图；

图9为本发明具体实施例提供的训练台倾斜后的坐标的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1～9所示的具体实施例，本实施例提供的基于双电杆控制的平衡训练装置，可以运用在平衡状况的训练设备中，实现提高使用者的体验感，并且降低成本。

请参阅图1，该基于双电杆控制的平衡训练装置，包括机架10、训练台、万向节组件、第一电杆组件以及第二电杆组件，第一电杆组件的一端与机架10的一端角连接，第二电杆组件的一端分别与机架10的另一端角连接；第一电杆组件的另一端与所述第二电杆组件的另一端分别与万向节组件连接，第一电杆组件与第二电杆组件之间形成第一夹角，第一电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角，第二电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角；训练台连接于万向节组件的上端。

具体的，第一电杆组件以及第二电杆组件位于一平面，而万向节组件与该平面呈一倾斜角度，可以将第一电杆组件以及第二电杆组件看成位于OXY平面上。如图6所示，B点为训练台，C为万向节组件，能向各个方向倾斜+20°或-20°，CA为连接杆43，DA为第一电杆组件，EA为第二电杆组件，4A点为自由活动点，D点和E点是第一电杆组件以及第二电杆组件分别与机架10连接的点，也是固定在训练台下方的点，第一电杆组件以及第二电杆组件的伸缩改变A点的位置，从而实现B点即训练台的倾角发生变化。

一个T型的训练台被两个互相垂直摆放的电杆组件带动，在两个电杆组件的配合下可以实现训练台的任意方向大于正负10度的倾斜。

优选地，上述的第一夹角为90°，也就是第一电杆组件以及第二电杆组件呈垂直布置，当然，于其他实施例，上述的第一夹角为80°等，依据实际情况而定。

在一实施例中，如图1和2所示，第一电杆组件包括第一电缸缸体21、第一电机20以及第一伸缩杆23，第一伸缩杆23的一端嵌入于第一电缸缸体21内，第一伸缩杆23的另一端通过第一活动器44与万向节组件连接；第一电机20与第一电缸缸体21连接，所述第一电缸缸体21通过第一连接转轴22与机架10的一端角连接。

另外，上述的第一电缸缸体21与机架10连接的一端设有第一电缸连接板，所述第一电缸连接板与第一连接转轴22连接。

通过第一电机20的工作，驱动第一伸缩杆23在第一电缸缸体21内移动，以改变第一伸缩杆23的伸出量，从沿着第一伸缩杆23的延伸方向推动万向节组件移动，以改变训练台的倾斜角度。

更进一步地，上述的第一活动器44包括活动器本体，活动器本体的一端与万向节组件连接，活动器本体的另一端朝外延伸有连接段，连接段上设有缺口，第一伸缩杆23的另一端插设在缺口内，且第一伸缩杆23插设在缺口的一端通过连接轴与连接段连接。以此实现第一伸缩杆23与万向节组件的连接。

上述的第一伸缩杆23插设在缺口的一端设有第一连接块25，所述第一连接块25通过连接轴与连接段连接。

在一实施例中，上述的第二电杆组件包括第二电缸缸体31、第二电机30以及第二伸缩杆33，第二伸缩杆33的一端嵌入于第二电缸缸体31内第二伸缩杆33的另一端通过第二活动器45与所述万向节组件连接；第二电机30与第二电缸缸体31连接，所述第二电缸缸体31通过第二连接转轴32与机架10的一端角连接。

另外，上述的第二电缸缸体31与机架10连接的一端设有第二电缸连接板34，所述第二电缸连接板34与第二连接转轴32连接。

上述的第二活动器45的结构包括第二活动器45本体，第二活动器45本体的一端与万向节组件连接，第二活动器45本体的另一端朝外延伸有第二连接段，第二连接段上设有第二缺口，第二伸缩杆33的另一端插设在第二缺口内，且第二伸缩杆33的另一端通过第二连接轴与第二连接段连接。以此实现第二伸缩杆33与万向节组件的连接。

上述的第二伸缩杆33插设在缺口的一端设有第二连接块35，所述第二连接块35通过第二连接轴与第二连接段连接。

上述的机架10的两个端脚连接有过渡杆11，上述的第一连接转轴22与第二连接转轴32分别与两个端脚的过渡杆11连接。

在一实施例中，如图3至图5所示，上述的万向节组件包括连接杆43以及万向节，万向节连接于连接杆43的上端，且万向节与训练台连接，连接杆43的下端穿过所述第一活动器44以及第二活动器45，连接杆43的下端连接有螺栓48，螺栓48位于第一活动器44以及第二活动器45的下方。以此将第一伸缩杆23、第二伸缩杆33以及连接杆43、万向节和训练台连接。

在一实施例中，如图5所示，万向节包括上旋转件41以及下旋转件，上旋转件41与训练台固定连接，上旋转件41与下旋转件连接。

下旋转件包括下旋转本体42以及若干个旋转球46，若干个旋转球46环绕下旋转本体42的轴线布置与下旋转本体42上，且下旋转本体42的下端与所述连接杆43连接，下旋转本体42的上端朝上延伸有两个垂直段，两个垂直段位于旋转球46的外侧，且上旋转件41的两端分别与两个垂直段连接。通过下旋转件实现对训练台的倾斜角度的改变。

另外，为了提高万向节的稳固性，上述的万向节组件还包括固定桥47，所述固定桥47与所述连接杆43连接。

固定桥47包括连接板以及位于连接板两侧的侧板，所述连接杆43与所述连接板连接，所述连接板位于第一电杆组件以及第二电杆组件的上方。

如图7所示，在该训练装置上建立坐标系，以第一电杆组件以及第二电杆组件的平面为OXY平面，该坐标系的原点为第一电杆组件以及第二电杆组件与万向节组件的交点；以第二电杆组件为坐标系的X轴，训练台与训练台下方的万向节和连接杆43可形成一个T字形，假设该训练台绕X轴旋转的角度不变，绕Z轴旋转的角度不变向左侧滚动10度，可得到一个坐标(x，y，z)，由于第一电杆组件以及第二电杆组件改变的是训练台的倾斜角度，将训练台看成一个点，则其Z坐标是不变的，只需要得知该X坐标和Y坐标的数值，即可知道其倾斜的角度。

在此坐标中，训练台绕X轴旋转的角度pitch等于0，训练台绕Z轴旋转的角度roll滚动一定的角度，训练台中心到坐标原点的高度是不变的，定义为h，可以换算出：

tan(roll)＝x/h；

同理，令roll角等于0，训练台绕X轴旋转的角度pitch俯仰一定的角度，可以换算出：tan(pitch)＝y/h；

第一电机20和第二电机30的可以精准控制(x，y)的数值，而训练台的任意倾斜都是由训练台绕X轴旋转的角度pitch和训练台绕Z轴旋转的角度roll来组成的，可以通过第一电机20和第二电机30和上述的换算公式控制平台达成任意方向和角度的倾斜。

对于训练台在任意方向倾斜角度与pitch和roll的换算：建立转换坐标系，如图8所示，将平台绕水平面分成360度，命名为ψ，由箭头为起点0度顺时针绕一圈到箭头尾部为360度；将平台上下倾斜命名为Φ，水平放置是角度为0，上仰最大达10°，下倾可达-10°。所以可得训练台的任意方向的倾斜均可以用(ψ，Φ)表示，其中ψ＝[0，360]，Φ＝[-20，+20]，如最右侧抬高10度可以表示为(90，10)。

经过几何分析，可推算出：pitch＝cos(ψ)*Φ；roll＝sin(ψ)*Φ；因此，x＝tan(sin(ψ)*Φ)*h；y＝tan(cos(ψ)*Φ)*h

得到该x值和y值，即可参照图9，计算出第一伸缩杆23和第二伸缩杆33的伸出量，从而进行控制。

此时，转换坐标系可以方便的表示训练台的各种运动。如想实现平台缓缓右倾到-10度，可以直接通过上位机或者控制器输入(90，-1)(90，-2)…(90,-10)然后经过公式的换算，第一电机20和第二电机30就可以做出相应的伸展，从而实现平台的运动，同理可以让训练台实现螺旋、任意方向侧倾、圆形等运动。

具体地，假设第一电机20安装在(x₀，0)位置，第二电机30安装在(0，y₀)两个位置，假设现要求训练台的支撑杆落点为(x，y)，可推算出第一伸缩杆23以及第二伸缩杆33的伸出长度L₁和L₂，其中， 至此，可以知道第一伸缩杆23和第二伸缩杆33与训练台倾斜的关系，训练台在任意方向的倾斜可以通过第一伸缩杆23移动L1和第二伸缩杆33L2实现。

举个例子，如图6所示，设置AC间的高度为110mm，训练台运行在中点时，AE与AD距离为507mm。

若需要在训练台90°的方向倾斜20°，则第一伸缩杆23和第二伸缩杆33的伸缩距离可以为：

可解得第一伸缩杆23的伸长量为40.0mm，第二伸缩杆33的伸长量为1.6mm；也就是说通过该实现方法，只需要选用两个电机带动长度大于等于80mm长度的伸缩杆便可以平台任意角度方向实现20°的倾斜运动。若电机每脉冲长度的伸缩量为0.0025mm，选用的电机最高速度为120mm/s。则可以轻松实现倾角精度小于0.01度角速度为40度/S的角度变化。

该装置只需要使用两个电杆组件驱动训练台，若采用80mm长度的伸缩杆设计，一套的伸缩杆和电机成本只需要不到1w的造价，能有效降低设备成本，降低系统的复杂程度。采用的是两个电杆组件相互呈90度水平地面摆放的结构。使得训练台的垂直高度可低于300mm，使患者更加容易站上去接受平衡评估训练，提高使用者的体验感，且实现40度/S的角度变化，以及360度任意方向上的20度的角度倾斜已经能满足康复的需求。

上述的基于双电杆控制的平衡训练装置，通过设置第一电杆组件和第二电杆组件，利用第一电机20和第二电机30的工作，驱动第一伸缩杆23和第二伸缩杆33伸出对应的距离，以驱动与万向节组件连接的训练台在任一方向上倾斜一定的角度，万向节组件内的连接杆43与第一伸缩杆23和第二伸缩杆33连接，由第一伸缩杆23和第二伸缩杆33一起推动连接杆43，以带动与连接杆43连接的万向节转动，以使训练台倾斜，整个训练台的高度较低，可实现提高使用者的体验感，并且降低成本。

在一实施例中，还提供了一种使用了上述的基于双电杆控制的平衡训练装置的训练方法，其特征在于，包括：

驱动第一电杆组件以及第二电杆组件工作，推动万向节组件移动，以改变训练台的倾斜角度。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述基于双电杆控制的平衡训练装置的训练方法的具体实现过程，可以参考前述基于双电杆控制的平衡训练装置实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.基于双电杆控制的平衡训练装置，其特征在于，包括机架、训练台、万向节组件、第一电杆组件以及第二电杆组件，第一电杆组件的一端与机架的一端角连接，第二电杆组件的一端分别与机架的另一端角连接；所述第一电杆组件的另一端与所述第二电杆组件的另一端分别与所述万向节组件连接，第一电杆组件与第二电杆组件之间形成第一夹角，所述第一电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角，所述第二电杆组件与万向节组件之间形成第二夹角；所述训练台连接于万向节组件的上端；

所述万向节组件包括连接杆以及万向节，所述万向节连接于所述连接杆的上端，且所述万向节与所述训练台连接，所述连接杆的下端穿过第一活动器以及第二活动器，所述连接杆的下端连接有螺栓，所述螺栓位于所述第一活动器以及第二活动器的下方；所述万向节包括上旋转件以及下旋转件，所述上旋转件与所述训练台固定连接，所述上旋转件与所述下旋转件连接；所述下旋转件包括下旋转本体以及若干个旋转球，若干个旋转球环绕下旋转本体的轴线布置与下旋转本体上，且所述下旋转本体的下端与所述连接杆连接，所述下旋转本体的上端朝上延伸有两个垂直段，两个所述垂直段位于所述旋转球的外侧，且所述上旋转件的两端分别与两个垂直段连接。

2.根据权利要求1所述的基于双电杆控制的平衡训练装置，其特征在于，所述第一电杆组件包括第一电缸缸体、第一电机以及第一伸缩杆，所述第一伸缩杆的一端嵌入于第一电缸缸体内，所述第一伸缩杆的另一端通过第一活动器与所述万向节组件连接；所述第一电机与第一电缸缸体连接，所述第一电缸缸体通过第一连接转轴与机架的一端角连接。

3.根据权利要求2所述的基于双电杆控制的平衡训练装置，其特征在于，所述第一活动器包括活动器本体，所述活动器本体的一端与所述万向节组件连接，所述活动器本体的另一端朝外延伸有连接段，所述连接段上设有缺口，所述第一伸缩杆的另一端插设在缺口内，且所述第一伸缩杆插设在缺口内的一端通过连接轴与所述连接段连接。

4.根据权利要求3所述的基于双电杆控制的平衡训练装置，其特征在于，所述第二电杆组件包括第二电缸缸体、第二电机以及第二伸缩杆，所述第二伸缩杆的一端嵌入于第二电缸缸体内，所述第二伸缩杆的另一端通过第二活动器与所述万向节组件连接；所述第二电机与第二电缸缸体连接，所述第二电缸缸体通过第二连接转轴与机架的一端角连接。

5.根据权利要求1所述的基于双电杆控制的平衡训练装置，其特征在于，所述万向节组件还包括固定桥，所述固定桥与所述连接杆连接。

6.根据权利要求2所述的基于双电杆控制的平衡训练装置，其特征在于，固定桥包括连接板以及位于连接板两侧的侧板，所述连接杆与所述连接板连接，所述连接板位于第一电杆组件以及第二电杆组件的上方。

7.一种使用了权利要求1所述的基于双电杆控制的平衡训练装置的训练方法，其特征在于，包括：

驱动第一电杆组件以及第二电杆组件工作，推动万向节组件移动，以改变训练台的倾斜角度。